一、案例指导思想

STEAM教育作为一种跨学科融合的新型教育形式日渐受到人们的关注。2016年，国务院办公厅印发了《全民科学素质行动计划纲要实施方案》，方案中明确提出：完善基础教育阶段的科技教育，增强中小学生的创新意识、学习能力和实践能力，增强各学科的深度融合教学。

如何基于STEAM理念开展课堂教学实践，既是一个理论问题，又是一个实践问题。在中小学开展基于STEAM理念的教育教学研究有着重要的实践意义，具体可以概括为三点：第一，有助于深化多学科融合的教育教学研究。第二，有助于加大教师专业发展研究的力度。第三，有助于强化学校办学特色。

本STEAM课程案例“月球温室三维模型的设计”，内容紧紧围绕学生核心素养发展目标，深度融入STEAM教育理念。笔者将通过项目式学习的方式开展教学活动。

二、案例开发背景

科学研究发现，地球环境正在遭受着越来越严重的破坏。地球是人类赖以生存的唯一家园，保护环境，保护地球，就是保护我们自己的生命安全。所以，全球各个国家都有责任呵护地球家园的健康平安。在共同保护地球家园的同时，人类还在积极探索外太空，试图寻求第二家园。所以，当今人类对月球的持续探索将会是在外太空寻找第二个家园的基础和关键。

嫦娥四号探测器成功登陆月球背面，成为人类首个软着陆在月球背面的探测器；嫦娥五号探测器将采集的月球样品带回地球，首次实现了我国地外天体采样返回；中国空间站建造任务即将完成……相信在不久的将来，我们国家必将成功实现载人登月，并在月球上建设适宜生存的基地。那么，未来在月球上，我们应该建造什么样的基地呢？本案例从科幻的视角，集中设想了未来月球温室基地的建设方案，激发学生无穷的想象力。

三、案例目标

基于STEAM教育理念的课程目标一般分为四个方面：培养学生的科学探究能力；增强学科融合实践的能力；促进学生形成正确的科学态度、情感与价值观；实现科学、技术、工程、艺术、数学等多学科的跨学科学习能力。

本课程案例融合STEAM的理念和思想，以学生核心素养的培养为出发点，概括起来，提炼出三个教学目标：1.通过项目式学习，积极实现STEAM课程中多学科的融合，培养学生的空间思维能力和综合解决问题的能力。2.让学生尽可能多地了解外太空知识和地球环境与月球环境之间的差异，在月球温室建设的思路形成中，可以用科学的思想作为指导，提出若干科学问题。3.全面学习3D打印技术，通过三维建模，让学生熟练掌握三维软件的建模技术，针对月球温室可以提出一些可行的思路，并应用建模技术实现模型的构建。 

四、实施过程

本STEAM课程案例是在学生掌握了一定的三维软件技术后开展的，三维建模软件选用的是“中望”3D One教育版，学生运用该软件学习基础建模技术的效果较好。本STEAM课程案例分为两个阶段，一个是基础类课程，另一个是实操建模课程，并安排了10个课时，在具体实施过程中，可以根据学生的学习情况适当调整。

1.基础类课程内容

基础类课程的课题为“月球温室搭建的可行性探索”。本阶段课程的第一课时为“地球环境的变化”。教师以一则“地球变迁之谜”的短视频作为导入，给学生展示了地球自诞生到如今的变化过程。通过本课时的学习，教师引导学生认识保护地球的重要意义。第二课时和第三课时为“月球温室宜居环境的探索”，通过探究性学习的方式组织学生开展深入讨论。

教师先从地球温室的构造和功能方面给学生做展示，并提出问题让学生思考：地球温室有什么样的构造？有什么特点？如何能保证地球温室的温度适宜植物生长？

展示一：兰州新区花卉交易基地，该基地的建筑构造是一个非常大的温室。花卉基地这种温室构造，属于运用现代化设计手段，利用新型钢架和有机玻璃材料建造的功能相对齐全的现代化温室。

展示二：某农村蔬菜大棚温室模型图。每逢冬季，餐桌上的绝大多数绿色蔬菜，都是由农民伯伯在温室大棚种植供给的。这种温室构造属于大众化、低成本的普通温室模型。

展示三：某私家住宅阳台里的小温室，也可以叫作阳光房，这种温室构造属于可携带便捷式的小型温室。

通过对地球温室的了解，我们概括出其典型特点为：温室里面的温度较室外高；散热功能很弱。生活中的玻璃育花房和蔬菜大棚就是典型的温室。使用玻璃或透明塑料薄膜来做温室，是为了让太阳光能够直接照射进温室，加热室内空气，而玻璃或透明塑料薄膜又可以不让室内的热空气向外散发，使室内的温度保持高于外界的状态，以提供有利于植物快速生长的条件。在我国北方，有一种很特别的温室，叫作日光温室，简称暖棚，非常值得研究。日光温室热量主要来源于太阳辐射，昼夜温度变化非常大，而且日光温室的温度随外界气温的季节性变化呈现出明显的变化。

月球环境完全不同于地球，没有大气，近乎真空环境；昼夜温差极大，太阳热量很难保存。如果真要在月球建设一个温室，其技术难度非常大，所以一定要依靠科技去解决这些难题。教师要引导学生就月球特殊的环境展开讨论：月球要建一个温度相对恒定的温室，必须要解决哪些科学难题？教师可以引导学生从以下问题展开学习和讨论。

月球表面环境怎样严酷？教师采用混合式学习方式，组织学生通过网络自主学习掌握月球表面的若干环境因素，通过导学案，完成“月球表面极端环境资料汇总”。课堂教学时，教师安排学生小组分享学习成果，总结完善。

月球温室气密性如何保障？月球表面近乎真空环境，要想生命能在温室生存，一定要用特殊技术保障气体不能外泄，充分考虑材料搭建过程的气压破坏、热胀冷缩等问题。开展探究活动，运用多学科知识去设置温室结构，提出材料设想，确保月球温室能够有良好的气密性。

太阳热量如何最大限度保留？当太阳光照射时，温室就应该充分吸收太阳光，但一定要对热量进行智能分配，让一部分热量保存下来，在没有太阳光照时可以维持热量平衡。

适宜人类居住的月球温室空气循环系统如何搭建？继续开展跨学科探究，利用生物学循环系统理论，并参考我国空间站建设技术路线，探索构建适宜人类和绿植共同居住的月球温室环境。

当然，在具体的讨论中，学生还会产生出更多的问题，教师要及时进行汇总。通过讨论，学生能够更加清晰地认识到月球温室的建设难度之大，从而鼓励自己一定要学会从科学角度提出问题，然后探索可以解决的对策。

2.实操建模课程

实操建模课程分两个阶段完成，第一阶段课题为“月球温室草图绘制”，第二阶段课题为“月球温室三维模型构建”。

在基础类课程中，学生既了解了地球温室的特点，又了解了月球极端的环境因素，提出了若干待解决的科学难题。有了一定的知识储备后，教师组织学生以小组为单位开展“我心目中的月球温室”草图绘制活动，分别在图纸上画出各自心目中的温室模型（如下表）。

通过各小组之间的交流讨论，每个学生都能够绘制出与众不同的温室模型。通过这种发散思维的方式，学生能够积极地参与到探究学习活动中去，在学习知识技能的同时感受团队协作的强大力量。

每个小组的学生都有了绘制的草图后，教师组织学生开展第二阶段课程的学习，本阶段课程课时较多，主要为技术和工程目标的达成。对学生设计的一些典型的月球温室模型（如图1、图2），教师不断地就模型设计理念、科学性等方面对学生给予指导。无论学生设计方案的效果是优还是劣，教师都要积极指导和鼓励。STEAM课程最需要关注的是学生参与的过程，而非最后方案的优劣，这一点非常关键。

图1学生作品创意：通过顶部安装的太阳能电池，较好地解决了夜间温室热量供给的问题，采用双重防护装置有效地保护了温室的气密性安全。

教师提出改进意见：月球表面环境恶劣，继续思考温室所选用的搭建材料能否满足环境要求；月球温室建成后，室内外必然存在压力差，这种开门设置存在安全隐患，建议参考航天器设计。

图2学生作品创意：本作品采用可移动装置，便于在月球表面移动。顶部添加了智能储水装置，通过人工智能自动识别植物水分情况，从而能及时浇水。

教师提出改进意见：月球表面近乎真空，地球上通过摩擦产生助力前进的方式无法在月球实现。建议将月球温室的移动装置设计为机械臂助推式，让温室能够通过反向作用力实现移动。

图3学生作品创意：本作品参考神舟飞船造型搭建，流线型设计使得其具有较好的气密性，无遮光设置使得阳光能够最大限度照射进温室内部。

教师提出改进意见：设计过于简单，建议添加部分智能化装置，从而提高温室利用价值。

五、作品评价与3D打印课程

完成了前面阶段的系统学习后，学生已经设计出了各自的三维温室模型，有些学生的模型可能和教师的设计思路一致，有些学生的设计模型可能还有自己更独特的见解。教师应该通过“三评”的方式对各学习小组的作品进行评价。首先选取每小组的推荐作品由学生本人开展自评，详细阐述自己作品的设计思路、创新之处以及还需进一步改进的地方；然后请本组小组长对作品再次评价，剖析作品的发光点，提出不足之处的改进意见；最后由教师进行总结评价，并筛选出优秀作品进行3D打印。

六、反思及改进建议

本STEAM课程案例自2021年9月开发到2022年3月结束，完成了课程的整体架构及核心讲义设计，校本课程组也对此积极推进开发，并于2022年5月面向八年级的3D打印社团开设该课程，取得了较好的效果。在实施过程中，笔者也对STEAM教育倡导的项目式学习进行了积极思考。学生的参与热情让我们更加坚定了STEAM课程育人的价值。

在具体课堂教学开展过程中有几点建议值得分享：1.合理布局教室座位，为小组合作式学习提供空间便利；2.在教学过程中强调项目式学习，学生实践解决问题为主，教师讲解为辅；3.尝试开展线上与线下混合式教学；4.积极开展发散思维探究，培养想象力；5.结合任务探究的特点，不失时机地突出跨学科融合思想，对学习效果进行多方面的检测和评价。